京津冀生態空間演變的多情景模擬預測
——學習貫徹黨的二十大精神

◎文/孫 鈺 劉全英 馬建輝

一、引言

改革開放以來，隨著工業化以及城市化的快速推進，人地矛盾日益凸顯，進而引起大氣污染、水土環境污染、水資源短缺、城市內澇增加、生物多樣性銳減、自然災害頻發等一系列的生態環境問題。在此背景下，國家提出“三生空間”功能規劃，倡導建立“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的“三生空間”，而生態空間的保護與調控則是化解人地關系矛盾的重要抓手與關鍵舉措。當前，生態空間的研究尚處于摸索階段，現有研究包括生態空間識別與分類、生態空間的重構與優化、生態空間時空演變等方面，但對于生態空間模擬預測的研究鮮有開展，而未來生態空間規模與格局的變化則直接關系到國土空間生態安全。因此，使用切實可行的預測分析模型模擬未來的生態空間，對生態空間治理以及生態文明建設，推動人地關系和諧共生、協同互動，具有重要的理論和現實意義。

PLUS（Patch-generating LandUseSimulation）模型基于土地利用轉換動態背后的驅動因素模擬土地利用變化，考慮到土地利用模擬過程中的氣候背景條件，模擬訓練量化過程中不同土地利用類型之間的相互作用和競爭以及其他相關因素（自然保護區、城市、交通路線等）對土地利用模擬的影響，可以很好地模擬預測未來土地分布格局的變化情況。所以，本文設定四種情景，并采用PLUS模型以仿真模擬未來生態空間在各個政策優先引導作用下的格局分布狀況。

京津冀是中國北方經濟規模最大、發展水平最高的地區，是華北平原生態屏障的重要組成部分。在落實三大城市群協同發展的背景下，京津冀遇到的重要生態系統和生態功能退化等生態環境問題有較強的典型性。通過對京津冀2050年生態空間的模擬預測結果進行分析，能夠很好地識別京津冀生態重點區與脆弱區，可以為區域重點保護與修復提供理論與數據支持，也能為類似地區生態修復治理建設提供可靠樣本。所以，本文選取京津冀為案例區，探討生態空間未來發展趨勢，以期為京津冀生態空間治理與優化提供科學參考。

二、研究區域、數據與方法

（一）研究區域概況

京津冀是中國北方經濟規模最大、發展水平最高的地區，位于北方腹地，渤海灣西翼，地勢西北高、東南低，地貌以平原、丘陵、山地為主，屬于溫帶季風氣候，區域總面積為21.8萬平方公里，涉及北京市、天津市和河北省。自1978年改革開放以來，該地區經歷了快速城市化過程，社會經濟迅猛發展，2020年國內生產總值實現8.6萬億元，總人口約為1.10億人。

（二）研究方法

1.用地需求規模預測

Markov模型根據假定t+1時的某土地利用類型狀態，只和t時的土地利用類型狀態有關來獲得生態空間需求規模的預測。Markov過程的每一次狀態轉移都只和前一刻狀態相關，即無后效性的狀態轉移過程。本文應用Markov模型來預測京津冀2050年各土地空間類型的需求規模。計算公式如下：

式 中：St、St+1為t、t+1時刻研究區土地利用類型狀態矩陣；Pij表示由類型i轉移為類型j的轉移概率矩陣，表示i用地空間類型轉移到j用地空間類型的概率。

2.生態空間預測

在完成各用地類型需求規模預測基礎上，對生態空間分布格局進行預測分析。本文根據數據的可獲取性和研究尺度選用的科學性，結合研究區實際情況，界定本研究的生態空間包括林地、草地、水域及未利用土地，生產空間包括耕地，生活空間包括建設用地。PLUS模型由基于土地擴張分析策略的轉化規格挖掘框架（LEAS）與基于多類型隨機斑塊種子機制的CA模型（CARS）模塊組成。生態空間格局模擬的關鍵在于元胞的轉換規則，本文正是通過PLUS模型界定的不同土地類型的轉換規則來完成生態空間格局變化的預測，以此實現生態空間分布格局的模擬預測。

（三）數據來源及處理

本文所使用數據涉及京津冀行政邊界、土地利用等基礎數據以及驅動因子數據（見表1）。全部數據經空間柵格化后并運用均勻采樣法依照100m分辨率歸一化處理。

表1 數據來源信息表

三、結果與分析

（一）總體變化情況

本文以2000年“三生空間”分布為基準，以2020年“三生空間”實際分布為參照，模擬預測2020年“三生空間”分布格局，選取Kappa系數作為衡量京津冀“三生空間”模擬結果準確度的指標。Kappa系數是用來驗證實際數據與預測結果之間的一致性程度，值大于75%時，表明預測結果與真實情況的一致性強，具有較高的可信度。本次模擬結果Kappa系數為82%，說明PLUS模型的模擬結果基本符合實際的“三生空間”分布格局。模擬“三生空間”用地變化情況（見表2）表明，京津冀2050年生態空間除生活空間優先情景下有小幅減少外，其他三種情景都處于增加趨勢，且生態空間優先情景下升幅最大；生產空間在四種情景下均處于減少趨勢，且生態空間優先情景下減少幅度較大；而生活空間則在四種情景下都處于增長趨勢，且除生產空間優先情景的增幅較緩外，其他情景下都有較大增幅。另外，各用地類型的空間布局變化整體上也相當明顯，且京津冀生態空間主要分布于燕山—太行山地區、壩上高原地區及海岸帶區，平原地區生態空間分布則相對零星。在變化強度上，不同情景下燕山—太行山地區、壩上高原地區及海岸帶區的生態空間變化均不是很顯著，變化顯著發生的區域主要位于北京、天津、唐山及其周邊區域。

表2 2020年、2050年京津冀多情景模擬“三生空間”用地情況

（二）多情景模擬結果

在不同的情景模擬方案下，京津冀生態空間變化差異顯著：

1.生產空間優先情景

耕地作為保障生產空間的核心土地利用類型，有效保護耕地資源是生產空間優先得以實現的主要方法。從總體占比來看，生態空間、生活空間、生產空間分別占41.79%、13.25%、44.96%，相較于生活優先情景，該情景生態空間所占比重更大。從面積變化來看，到2050年該情景的生態空間有所增加，由88461km2增加到90423km2，增加幅度為1962km2，耕地面積減少3233km2，建設用地增加1271km2。該情景下，生產空間保持向生活空間和生態空間轉移的態勢，但與其他情景比較而言，生產空間轉出面積有所減少，城市發展占用生產空間和生態空間的發展建設受到一定遏制。從空間格局來看，生產空間向生活空間變化區域主要集中在平原地區各城市周圍，以石家莊、保定、滄州等城市的變化尤為顯著，生產空間向生態空間的變化則集中在張北地區，體現為山區耕地向林地、草地生態用地的轉變。該情景下，雖然生態空間有所增加，但京津冀發展的建設用地需求難以得到長期保障，經濟發展受到一定制約。

2.生態空間優先情景

在生態空間優先情景下，對生態用地類型的保護獲得高度重視，相對應的土地利用類型不再縮減，另外，為打造生態安全屏障，鼓勵其他用地類型轉換成為生態空間。從整體占比來看，生態空間、生活空間、生產空間分別占 比 43.18% 、14.23% 、42.60%，該情景下生態空間所占比重最大。從面積變化情況來看，生態空間面積有所增加，生產空間向生態空間轉換的面積增加，主要集中在林地、草地和水域上，生態空間總體面積增加4962km2，同時生產空間向生活空間轉換的面積也得到控制，增加面積3380km2，低于生活空間優先情景下增加的面積。從實際情況來看，生態空間優先情景下，生產空間面積減少的幅度減緩，同時生產空間向生活空間轉換的面積也有所減少，生態環境保護得到保障。在空間分布上，生態空間的增加主要集中在京津冀西側的太行山區和北部的燕山山區，為耕地向林地、草地轉換。

3.生活空間優先情景

在生活空間優先情景下，城鎮用地、倉儲用地、道路等建設用地類型向生產和生態空間的變動受到嚴格的限制。從總體占比來看，生態空間占比40.14%、生活空間占比15.17%、生產空間占比44.69%，生活空間面積占比有所提升，生產空間占比下降幅度增加，生態空間占比有所降低。從面積變化來看，該情景下生活空間面積增加幅度提升，增加面積達5420km2，遠高于生產優先和生態優先情景的生活空間增加面積；同時生態空間面積有所減少，草地、水域和未利用地面積降低，生態空間減少面積1615km2，城市和區域發展在一定程度上對生產空間和生態空間造成了擠壓，生態環境和糧食安全問題極為嚴峻。從空間分布來看，生態空間的減少主要集中在北京西北部以及石家莊、保定等城市西部地區，主要是城市發展對山區的開發和建設，草地向建設用地轉化。綜合來看，生活空間情景下京津冀生態空間演化趨勢較為嚴峻，城市發展規模急劇擴大，在影響生產空間穩定的同時，生態空間的面積有所減少，生態空間演化態勢不容樂觀，區域生態環境問題極為突出，區域綠色發展受到嚴重威脅。

4.綜合空間協調情景

綜合空間協調情景綜合考量生產空間優先、生活空間優先和生態空間優先三種情景的各種需求，土地利用變化及空間轉換更加復雜。從整體占比來看，生態空間、生活空間、生產空間分別占比41.43%、14.23%、44.34%，與其他三種情景相比較，三類空間所占比重更加均衡穩定。從面積變化情況來看，生態空間增加1185km2、生活空間增加3380km2、生產空間減少4566km2。從空間分布格局來看，該情景下北京、天津和石家莊等城市周圍生產空間和生活空間分布與生活空間、生產空間優先情景基本保持一致，與此同時，在燕山—太行山地區、壩上高原地區的生態空間分布區域有一定的增長。這種變化符合京津冀國土空間戰略規劃提出的建設冀西北生態涵養區和生態屏障建設，對于支撐京津冀發展、保障首都區域生態安全具有重要作用。綜合來看，綜合空間協調情景兼顧了城市發展、生態文明和京津冀協調發展戰略對生態環境保護的要求，對京津冀高質量建設和可持續發展具有重要意義。

四、結論與建議

（一）結論

本文基于京津冀城市群2000年、2010年、2020年土地利用數據和基礎統計數據，運用PLUS模型模擬生態空間在不同情景下的格局變化趨勢，主要結論如下：

1.從空間分布格局上看，京津冀的生態空間主要位于燕山—太行山地區、壩上高原地區及海岸帶區，且這些地區變化不大，平原地區生態空間分布則相對零星，變化較為明顯，變化主要發生在北京、天津、唐山及其周邊區域，這很好地契合了京津冀的區域發展戰略與規劃定位。

2.從面積上看，四種情景下各個用地類型面積變化較為明顯。生產空間優先情景下，生產空間轉出面積有所減少，生態空間有所增加，城市發展占用生產空間和生態空間的發展建設受到一定限制；生活空間優先情景下，生態空間面積有所減少，城鎮建設用地大幅增加；生態空間優先情景下，生產空間向生態空間轉換的面積增加，主要集中在林地、草地和水域上；綜合空間協調情景下，生態空間的變化態勢與生產空間優先情景、生態空間優先情景基本保持一致，只是幅度愈加平緩，這種變化能夠滿足京津冀面臨的區域協同發展與生態系統安全保護的綜合訴求。

（二）政策建議

黨的二十大報告指出，必須牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發展。而要想促進人與自然和諧共生，就必須多措并舉，加強生態空間治理。唯有如此，才能真正實現生態文明建設的“新常態”。

1.加強重點區域生態空間保護。對于張家口和承德北部區縣為主要部分的壩上地區，應該以防風固沙與濕地、草地恢復為主，運用退化林分改造、退耕還濕、草場修復等措施，緊緊把控高耗水農作物面積和用水量，建立防風固沙區。壩下地區，應該將潮白河（潮河、白河等）、灤河（小灤河、武烈河等）、永定河（桑干河、洋河等）干支流生態保護修復作為主要抓手，利用水土流失治理、水環境治理、水源涵養林建設、農村環境整治、河道綜合整治等途徑，提升水源涵養水平，增強水質，改善河流生態，構建水源涵養區；對于張家口、保定和承德市為主要構成的燕山—太行山地區，需要加快推進京津風沙源治理、太行山綠化、退耕還林、水土保持等生態工程建設，在河流上游、水庫、沙源、風口、風道周邊及宜林荒山荒地，應大力打造水源涵養林和水土保持林，帶動“駝梁自然保護區”“青崖寨自然保護區”等生態休閑旅游和特色農業發展；對于京津冀東北部秦皇島低山丘陵區的海岸帶生態防護區，需要恢復和拓建濱海濕地，構筑海岸帶生態安全防御體系，消除海洋與山地雙重災害隱患。

2.建立生態空間協同治理體系。第一，構建共同參與機制。由于生態資源多樣性以及產權管理主體多元性都決定了京津冀生態空間協同治理主體必然是多元參與，多主體、多部門、多機構彼此銜接，所以生態空間協同治理應該創新其管理模式，倡導公眾參與，鼓勵社會組織和企業等群體積極參與對生態空間的治理與監督，建立多元共治的新格局。在管理機制層面，應創建利益分享機制，統籌協調各方利益，最大限度做到多方共贏，使生態環境治理實現綠色可持續發展，增強保護的效能。第二，建立合理的生態補償機制。京津冀生態空間治理必須依靠生態補償機制等取得資金支持來協調跨區域多元主體之間的利益關系。生態補償是以推動區域生態安全與保障社會經濟可持續發展為原則，以資金調配措施為核心的協同機制，是調節保護和開發利用之間矛盾的關鍵措施。建立生態補償機制，形成損害者賠償、受益者付費、保護者得到合理補償的生態空間經濟新格局，有利于生態空間內保護和區外發展的共贏。

3.加強生態空間規劃與管制。第一，完善生態保護紅線劃定。京津冀地區應在明確生態空間保護目標的基礎上，將北京市北部燕山山地和西部太行山山地、天津市中南部平原濕地與北部薊州山地丘陵區、河北省東北部燕山山地、北部壩上防風固沙帶納入生態保護紅線，其生態功能定位分別為水土保持與水源涵養、水源涵養和生物多樣性維護、水源涵養、水土保持和防風固沙。同時，京津冀三地政府部門應出臺相應的“生態保護紅線管控規定”，擬定生態保護紅線管制要求，厘清法律責任，對違法開發生態空間的行為進行嚴厲懲治。第二，嚴格控制生態空間的用途轉變，尤其是要嚴格控制生態空間向城鎮空間轉變，應深入推進城鎮發展由外延擴展向內涵提升轉化，按照不同環境功能區劃和資源環境承載力容量，系統調整城鎮功能配置，嚴控城市開發規模和強度，合理安排建設用地指標，盤活低效存量產業用地，挖掘低效利用土地潛力，科學部署安排城市與產業區域板塊，嚴格保護城市及周邊自然山水資源，控制城市“攤大餅”式空間擴張與擠壓生態空間。